第7章 半导体存储器

1、1 第第7章章 半导体存储器半导体存储器 7.1 概述概述 半导体存储器半导体存储器: : 用集成工艺制成，用集成工艺制成， 以半导体器件为基本存储单元，以半导体器件为基本存储单元， 每一个存储单元对应唯一的地址代码，每一个存储单元对应唯一的地址代码， 可以用来存放一位或多位二进制信息。可以用来存放一位或多位二进制信息。 2 半导体存储器主要分为半导体存储器主要分为: 只读存储器（只读存储器（ROM: Read Only Memory) 随机存储器随机存储器 (RAM：Random Access Memory) 两者的区别两者的区别: 只读存储器只读存储器: 可读、可写的存储器，可读、可写的存

2、储器， 可以随机的写入或读出数据，可以随机的写入或读出数据， 用于存放一些临时性的数据；用于存放一些临时性的数据； 3 随机存储器随机存储器: 反复读取所存储的内容，反复读取所存储的内容， 但不能随意更改，但不能随意更改， 常用来存放永久性的、不变的信息。常用来存放永久性的、不变的信息。 4 7.2 半导体存储器基础半导体存储器基础 7.2.1 7.2.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类 按照半导体制造工艺可分为按照半导体制造工艺可分为: : 双极型双极型 MOSMOS型型 5 双极型半导体存储器双极型半导体存储器: 以双极型触发器为基本存储单元，以双极型触发器为基本存储单元， 访问速度

3、快，访问速度快， 功耗较大、价格较高、工艺复杂，功耗较大、价格较高、工艺复杂， 主要用于大容量存储系统中（如在计算机主要用于大容量存储系统中（如在计算机 中用做主存储器）。中用做主存储器）。 6 MOS型半导体存储器型半导体存储器: 采用采用MOS工艺制造，工艺制造， 以以 MOS触发器或电荷存储结构为基本存储触发器或电荷存储结构为基本存储 单元，单元， 相比双极型存储器而言，相比双极型存储器而言， 功耗低、集成度高、成本低，功耗低、集成度高、成本低， 但速度比双极型存储器慢。但速度比双极型存储器慢。 7 存储器按应用角度可分为存储器按应用角度可分为: : 随机存储器随机存储器RAM 只读存储

4、器只读存储器ROM RAM: 可读、可写的存储器，用于存放一些临时性的数据。可读、可写的存储器，用于存放一些临时性的数据。 优点优点: 读写方便，使用灵活。读写方便，使用灵活。 缺点：缺点： 断电后，存储的数据会丢失，断电后，存储的数据会丢失， 称为：易失性存储器。称为：易失性存储器。 8 按存储原理不同按存储原理不同 RAM包括包括: 静态存储器（静态存储器（SRAM：Static Random Access Memory） 动态存储器（动态存储器（DRAM ：Dynamic Random Access Memory） DRAM结构简单、集成度高、速度慢，结构简单、集成度高、速度慢， SRA

5、M则恰好相反。则恰好相反。 9 ROM常用来存放永久性的、不变的信息，常用来存放永久性的、不变的信息， 内容只能随机读出而不能写入，内容只能随机读出而不能写入， 断电后信息不会像断电后信息不会像RAM一样丢失。一样丢失。 称为：称为：非易失性存储器。非易失性存储器。 10 7.2.2 半导体存储器的主要技术指标半导体存储器的主要技术指标 1. 存储容量存储容量 存储容量存储容量: 存储器能够容纳的二进制信息的多少。存储器能够容纳的二进制信息的多少。 存储器中的一个基本存储单元能存储存储器中的一个基本存储单元能存储1个个bit 的信息，的信息， 可以存入一个可以存入一个0或一个或一个1， 存储容

6、量就是存储器所包含的基本存储单存储容量就是存储器所包含的基本存储单 元的总数。元的总数。 11 2. 存取时间存取时间 存取时间存取时间: 存储器完成一次数据存取所用的平均时间存储器完成一次数据存取所用的平均时间 通常用读通常用读(或写或写)周期来描述，即连续两次读取（或周期来描述，即连续两次读取（或 写入）操作所间隔的最短时间。写入）操作所间隔的最短时间。 该技术指标反映了存储器的工作速度。该技术指标反映了存储器的工作速度。 注意注意: 存取时间和存储周期（连续启动两次读操作所需间存取时间和存储周期（连续启动两次读操作所需间 隔的最小时间）严格意义上来说是不一样的，隔的最小时间）严格意义上来

7、说是不一样的， 通常存储周期略大于存取时间。通常存储周期略大于存取时间。 12 3. 功耗功耗 存储器功耗存储器功耗: 存储器在正常工作时所消耗的电功率。存储器在正常工作时所消耗的电功率。 反映了存储器耗电的多少，同时也反映了其发热的反映了存储器耗电的多少，同时也反映了其发热的 程度。程度。 功耗和存取速度有关功耗和存取速度有关 存取速度越快，功耗也越大。存取速度越快，功耗也越大。 在保证存取速度前提下，存储器的功耗越小越好。在保证存取速度前提下，存储器的功耗越小越好。 13 4. 可靠性可靠性 可靠性可靠性: 存储器对对周围电磁场、温度和湿度等的抗干扰能存储器对对周围电磁场、温度和湿度等的抗

8、干扰能 力。力。 存储器的可靠性：存储器的可靠性：用平均故障间隔时间用平均故障间隔时间(MTBF： Mean Time Between Failures)来衡量。来衡量。 MTBF：两次故障之间的平均时间间隔。两次故障之间的平均时间间隔。 MTBF越长，可靠性越高，存储器正常工作能力越越长，可靠性越高，存储器正常工作能力越 强。强。 14 7.3 只读存储器（只读存储器（ROM） 只读存储器内部存储的信息通常由生产厂家用掩膜只读存储器内部存储的信息通常由生产厂家用掩膜 光刻的方法生产出来，光刻的方法生产出来， 在正常工作状态下只能从中读取数据，在正常工作状态下只能从中读取数据， 不能快速地随时

9、修改或重新写入数据。不能快速地随时修改或重新写入数据。 只读存储器按照数据写入方式特点不同，只读存储器按照数据写入方式特点不同， 可以分为可以分为: 固定固定ROM 可编程可编程ROM 15 7.3.1固定固定ROM 固定固定ROM的内容的内容: 由生产厂家按用户要求在生产过程中写入由生产厂家按用户要求在生产过程中写入 芯片，但写入后不能修改。芯片，但写入后不能修改。 固定固定ROM主要由：主要由： 地址译码器和存储阵列两部分组成。地址译码器和存储阵列两部分组成。 16 地址输入线地址输入线 译码输出线（字线）译码输出线（字线） 数据输出线（位线）数据输出线（位线） 存储容量存储容量 17 R

10、OM的工作原理的工作原理 真值表真值表 18 真值表真值表 对应的表达式对应的表达式 输出与地址译码器输出端字线以及地址译输出与地址译码器输出端字线以及地址译 码器输入的逻辑关系为码器输入的逻辑关系为 010 WA A 011 AAW 012 AAW 310 WA A 3130 DWWA 202301 +DWWWAA 112310 +DWWWAA 0020 DWWA 19 这这4条字线和条字线和4条位线，共有条位线，共有16个交叉点，个交叉点， 每个交叉点即是一个存储单元，共有每个交叉点即是一个存储单元，共有 44=16个存储单元。个存储单元。 当交叉点处接有二极管时，表示该单元相当交叉点处接

11、有二极管时，表示该单元相 当于存储当于存储1信息。信息。 交叉点处没有二极管时交叉点处没有二极管时, 表示该单元相当于表示该单元相当于 存存0信息。信息。 20 输出端的三态门作为缓冲器，输出端的三态门作为缓冲器， 通过使能端实现对输出的三态控制，通过使能端实现对输出的三态控制， 作用：作用： 提高带负载能力，提高带负载能力， 将输出的高、低电平变换为标准的逻辑电将输出的高、低电平变换为标准的逻辑电 平。平。 21 7.3.2可编程可编程ROM 为了提高为了提高ROM使用的灵活性，使用的灵活性， 采用：采用：内容可以由用户来定义的内容可以由用户来定义的ROM 产品，产品， 使使ROM在使用中具

12、有可编程性。在使用中具有可编程性。 满足这种要求的器件称为满足这种要求的器件称为: 可编程只读存储器。可编程只读存储器。 22 1.一次性可编程一次性可编程ROM 一次性可编程一次性可编程ROM （PROM ：Programmable Read Only Memory）：）： 在固定在固定ROM基础上发展起来的，基础上发展起来的， 总体结构与固定总体结构与固定ROM类似，类似， 不同的是存储单元和输出电路。不同的是存储单元和输出电路。 PROM可以分为可以分为: 熔丝型和结破坏型。熔丝型和结破坏型。 只能编程一次。只能编程一次。 23 熔丝型熔丝型PROM的存储矩阵结构示意图的存储矩阵结构示意

13、图 每个存储单元由一个每个存储单元由一个 MOS 管和一根熔丝组管和一根熔丝组 成，成， 出厂时，每一根熔丝都出厂时，每一根熔丝都 与位线相连，与位线相连， 熔丝用熔点很低的合金熔丝用熔点很低的合金 或很细的多晶硅导线制或很细的多晶硅导线制 成。成。 24 当熔丝没有熔断时，当熔丝没有熔断时， 被字线选中的被字线选中的MOS 管处于导通状态，管处于导通状态， 使位线处于低电平，使位线处于低电平， 再经输出缓冲器反相后，输出高电平，再经输出缓冲器反相后，输出高电平， 存储单元相当于存存储单元相当于存“1”； 25 当熔丝熔断时，当熔丝熔断时， MOS管处于截止状态，管处于截止状态， 使位线处于高

14、电平，使位线处于高电平， 输出缓冲器反相后输出低电平，输出缓冲器反相后输出低电平， 存储单元相当于存存储单元相当于存“0”。 26 用户在使用时只需根据程序的需要，用户在使用时只需根据程序的需要， 利用编程写入器对选中的基本存储电路通利用编程写入器对选中的基本存储电路通 以合适的电流，将熔丝烧断即可。以合适的电流，将熔丝烧断即可。 注意：注意： 熔丝一旦熔断，不可恢复。熔丝一旦熔断，不可恢复。 27 结破坏型结破坏型PROM 结破坏型结破坏型PROM的存储单的存储单 元元 由一对二极管组成由一对二极管组成 正常工作时，这对二极管处正常工作时，这对二极管处 于截止状态，于截止状态， 存储的信息为

15、存储的信息为“0”， 未编程的结破坏型未编程的结破坏型PROM 存储的信息为全存储的信息为全“0”。 28 用户在使用时只需根据程序的需要，用户在使用时只需根据程序的需要， 对于需要写入对于需要写入“1”的存储单元，的存储单元， 在其位线加以在其位线加以100mA150mA电流将相应存电流将相应存 储单元的反接二极管的储单元的反接二极管的PN结击穿短路即可。结击穿短路即可。 29 为了便于研究工作，为了便于研究工作， 实现各种实现各种ROM程序方案，程序方案， 克服一次性编程的局限性，克服一次性编程的局限性， 必须制造可反复写入和擦除数据的必须制造可反复写入和擦除数据的ROM 产产 品：品：

16、可擦除的可编程只读存储器，可擦除的可编程只读存储器， 物理结构上是物理结构上是MOS型结构。型结构。 30 根据擦除芯片内已有信息的方法不同，根据擦除芯片内已有信息的方法不同， 可擦除、可再编程可擦除、可再编程ROM可分为可分为: 紫外线擦除紫外线擦除PROM 电擦除电擦除PROM 快闪存储器快闪存储器 31 2. 紫外线擦除紫外线擦除PROM 紫外线擦除紫外线擦除PROM (EPROM：Erasable Programmable Read Only Memory) 一种可以进行多次擦除和改写操作的一种可以进行多次擦除和改写操作的ROM 与与 PROM 的总体结构相似，只是采用了不的总体结构相

17、似，只是采用了不 同的存储单元。同的存储单元。 32 EPROM 芯片封装出厂时所有存储单元的浮栅均无芯片封装出厂时所有存储单元的浮栅均无 电荷，可认为全部存储了电荷，可认为全部存储了“1”。 用户需编程时，必须在用户需编程时，必须在 SIMOS 管的漏级和源级之管的漏级和源级之 间加上较高的电压（约间加上较高的电压（约 25V），）， 同时在控制栅上加高压正脉冲（同时在控制栅上加高压正脉冲（50ms宽的宽的25V正脉正脉 冲），冲）， 就能够向浮置栅注入电荷，相当于向存储单元写入就能够向浮置栅注入电荷，相当于向存储单元写入 “0”。 原来没有注入电荷的浮栅仍然存储信息原来没有注入电荷的浮栅仍

18、然存储信息“1”。 33 常用的常用的EPROM集成片有集成片有: 2716（2K8位）、位）、2732（4K8位）、位）、 2764（8K8位）、位）、27128（16K8位）等。位）等。 存储单元都采用了存储单元都采用了 SIMOS 管，电路结构相管，电路结构相 同，仅仅是存储容量有差别。同，仅仅是存储容量有差别。 34 3电擦除电擦除PROM (E2PROM：Electrically Erasable Programmable ROM) EPROM必须使用紫外线来擦除存储的信息，必须使用紫外线来擦除存储的信息， 并且是对整个芯片进行的，并且是对整个芯片进行的， 不能只擦除个别单元或个别位

19、，不能只擦除个别单元或个别位， 擦除时间较长，擦除时间较长， 且擦写均需离线操作，使用起来不方便。且擦写均需离线操作，使用起来不方便。 35 E2PROM采用金属采用金属氮氮氧化硅氧化硅(MNOS)工艺生产，工艺生产， 不要借助紫外线照射，不要借助紫外线照射， 只需在高电压脉冲或在工作电压下就可以进行擦除。只需在高电压脉冲或在工作电压下就可以进行擦除。 具有对单个存储单元在线编程的能力，具有对单个存储单元在线编程的能力， 芯片封装简单，对硬件线路没有特殊要求，操作简芯片封装简单，对硬件线路没有特殊要求，操作简 便，信息存储时间长，便，信息存储时间长， 给需要经常修改程序和参数的应用场合带来了极

20、大给需要经常修改程序和参数的应用场合带来了极大 的方便。的方便。 36 E2PROM集成芯片在内部设置了升压电路，集成芯片在内部设置了升压电路， 擦、写、读都可在擦、写、读都可在+5V 电源下进行，不需要编程器，电源下进行，不需要编程器， 改写改写E2PROM的内容非常方便，的内容非常方便， 可以在线编程，擦写共需时间在几百纳秒到几十毫可以在线编程，擦写共需时间在几百纳秒到几十毫 秒之间，秒之间， 存储内容的保存时间达存储内容的保存时间达20年以上，改写次数高达年以上，改写次数高达1 万次以上。万次以上。 37 4. 快闪存储器快闪存储器 快闪存储器（快闪存储器（Flash Memory） 新

21、一代电信号擦除的可编程新一代电信号擦除的可编程ROM。 既吸收了既吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优结构简单、编程可靠的优 点，点， 又保留了又保留了E2PROM的隧道效应擦除的快捷的隧道效应擦除的快捷 特性，特性， 具有集成度高、容量大、成本低和使用方具有集成度高、容量大、成本低和使用方 便等特点。便等特点。 38 具有具有: 集成度高、容量大、成本低、使用方便等集成度高、容量大、成本低、使用方便等 优点优点; 应用日益广泛应用日益广泛 如用于数码相机、如用于数码相机、MP3、数字式录音机等。、数字式录音机等。 39 7.3.3 ROM的应用的应用 ROM的地址译码器是：的地址译码器是：

22、与逻辑阵列与逻辑阵列 位线与字线间的逻辑关系是：位线与字线间的逻辑关系是：或逻辑关系或逻辑关系 位线与地址码之间是：位线与地址码之间是：与或逻辑关系与或逻辑关系 最小项译码器相当一个：最小项译码器相当一个：与矩阵与矩阵 ROM矩阵相当一个：矩阵相当一个：或矩阵或矩阵 整个存储器整个存储器ROM是：是：一个与阵列加上一个一个与阵列加上一个 或阵列组成或阵列组成 40 输入为两变量的固定输入为两变量的固定ROM的阵列图的阵列图 41 可以用可以用ROM实现任何组合逻辑函数实现任何组合逻辑函数 列出该函数的真值表，列出该函数的真值表， 以最小项相或的原则，以最小项相或的原则， 直接画出存储矩阵的阵列

23、图。直接画出存储矩阵的阵列图。 42 通常用通常用ROM实现逻辑函数的步骤：实现逻辑函数的步骤： （1）根据逻辑函数的输入、输出变量个数确）根据逻辑函数的输入、输出变量个数确 定合适的定合适的ROM芯片；芯片； （2）列出真值表或卡诺图；）列出真值表或卡诺图； （3）对）对ROM进行编程，画出阵列图。进行编程，画出阵列图。 43 例例7-1试用试用PROM将将4位二进制码位二进制码B3B2B1B0转转 换成循环码换成循环码G3G2G1G0。 解解：(1) 选择选择164位的位的PROM实现码型转换，未编实现码型转换，未编 程的程的164位的位的PROM。 44 (2) 列出二进制码转换成循环码

24、的真值表列出二进制码转换成循环码的真值表 45 (3) 画出编程后的阵列图画出编程后的阵列图 46 例例7-2试用试用ROM设计全加器。设计全加器。 解：解：(1) 选择选择83位的位的PROM实现全加器。实现全加器。 (2) 列出全加器的真值表列出全加器的真值表 47 （3）画出编程后的阵列图）画出编程后的阵列图 48 7.4随机存取存储器（随机存取存储器（RAM） 随机存取存储器随机存取存储器RAM与与ROM不同，不同， 可以随机地写入或读出数据，可以随机地写入或读出数据， 优点优点:读、写方便，使用灵活，读、写方便，使用灵活， 缺点缺点:一旦断电以后所存储的数据就会丢失。一旦断电以后所存

25、储的数据就会丢失。 在计算机中主要用来存放在计算机中主要用来存放:用户程序、计算用户程序、计算 的中间结果以及与外存交换信息。的中间结果以及与外存交换信息。 49 7.4.1 RAM的结构的结构 RAM主要由存储矩阵、地址译码器和读主要由存储矩阵、地址译码器和读/写控制电写控制电 路（路（I/O电路）三部分组成。电路）三部分组成。 存储矩阵存储矩阵是存储器的主体，是存储器的主体， 另外两部分称为另外两部分称为:存储器的外围电路。存储器的外围电路。 50 1. 存储矩阵存储矩阵 RAM的存储矩阵的存储矩阵:是存储单元的集合体。是存储单元的集合体。 存储矩阵：存储矩阵：存储器中存储信息的部分，存储

26、器中存储信息的部分， 由大量的基本存储单元组成。由大量的基本存储单元组成。 每个存储单元能存放一位二进制信息（每个存储单元能存放一位二进制信息（1或或 0），）， 在读写电路的控制下，可以写入信息也可在读写电路的控制下，可以写入信息也可 以读出所存储的数据。以读出所存储的数据。 51 存储矩阵中存储单元排列成矩阵的形式，存储矩阵中存储单元排列成矩阵的形式， 通常由若干个存储单元构成一个字，通常由若干个存储单元构成一个字， 每个字具有一个唯一的地址（为了便于信每个字具有一个唯一的地址（为了便于信 息的存取，给同一存储体内的每个存储单息的存取，给同一存储体内的每个存储单 元赋予一个惟一的编号，该编

27、号就是存储元赋予一个惟一的编号，该编号就是存储 单元的地址）。单元的地址）。 52 对于容量为对于容量为2n个存储单元的存储矩阵，个存储单元的存储矩阵， 需要需要n条地址线对其进行编址。条地址线对其进行编址。 若每个单元存放若每个单元存放N位信息，位信息， 则需要则需要N条数据线传送数据，条数据线传送数据， 芯片的存储容量就可以表示为芯片的存储容量就可以表示为2nN位。位。 53 2. 地址译码器地址译码器 存储矩阵中的每一个字单元均有唯一地址。存储矩阵中的每一个字单元均有唯一地址。 字单元的地址字单元的地址:是用二进制代码来表示的，称为地是用二进制代码来表示的，称为地 址码。址码。 RAM中

28、的地址译码器对地址总线发来的位地址信中的地址译码器对地址总线发来的位地址信 号进行译码，号进行译码， 经译码产生的选择信号可以唯一地选中存储体中的经译码产生的选择信号可以唯一地选中存储体中的 某一存储单元，某一存储单元， 在读在读/写控制电路的控制下可对该单元进行读写控制电路的控制下可对该单元进行读/写操写操 作。作。 54 存储器中的地址译码主要有两种方式存储器中的地址译码主要有两种方式: 单译码方式单译码方式 双译码方式双译码方式 单译码方式单译码方式: 只用一个译码电路对所有地址信息进行译只用一个译码电路对所有地址信息进行译 码，码， 一根译码输出选择线对应一个存储单元。一根译码输出选择线对应一个存储单元。 55 单译码方式比较简单，但是只适用于小容单译码方式比较简单，但是只适用于小容 量的量的RAM， 当存储器的存储容量很大时，当存储器的存储容量很大时， 应该选择双译码方式（把